C頻段雷達(dá)黑障區(qū)捕獲跟蹤新型返回艙策略研究

史軍飛, 劉亞濤, 黃 宇

(中國(guó)人民解放軍63628部隊(duì),甘肅 酒泉 732750)

返回式航天器再入稠密大氣層后，由于速度高，會(huì)與大氣劇烈摩擦，在航天器表面形成一層等離子體，一般會(huì)導(dǎo)致黑障區(qū)的產(chǎn)生。當(dāng)航天器處于該區(qū)域內(nèi)，測(cè)控及通信設(shè)備與航天器之間的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生短暫的中斷，導(dǎo)致通信中斷、外測(cè)及遙測(cè)設(shè)備丟失目標(biāo)。關(guān)于返回式航天器再入段黑障現(xiàn)象，國(guó)外進(jìn)行了較多實(shí)驗(yàn)研究。MIT Lincoln實(shí)驗(yàn)室和NASA Langley研究中心在20世紀(jì)60年代通過(guò)Traiblazer計(jì)劃[1]進(jìn)行了再入體RCS(Radar Cross Section,雷達(dá)散射截面)測(cè)量試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了使用地面測(cè)試設(shè)備來(lái)提供模擬再入大氣條件的設(shè)想。之后，制定了導(dǎo)彈防御關(guān)鍵測(cè)量計(jì)劃，提高導(dǎo)彈的突防技術(shù)和對(duì)導(dǎo)彈末端的攔截技術(shù)[2]，不斷推進(jìn)等離子體隱身技術(shù)的發(fā)展，并應(yīng)用于隱身兵器研究。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在等離子體隱身技術(shù)的理論以及數(shù)值仿真方面。牛家玉[3]、彭世镠[4]等研究了再入尾跡湍流等離子體與電磁波相互作用的機(jī)理，提供分析目標(biāo)特性的方法。劉明海等[5]研究了不同參數(shù)大氣等離子體對(duì)電磁波的衰減效應(yīng)。胡紅軍等[6]結(jié)合神舟任務(wù)獲取的雷達(dá)及USB設(shè)備實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)控設(shè)備黑障區(qū)捕獲跟蹤返回艙的策略進(jìn)行了分析研究。為適應(yīng)中國(guó)空間站運(yùn)營(yíng)以及未來(lái)載人探月需要，航天科技集團(tuán)五院抓總研制了新一代載人飛船。在新型載人飛船返回艙返回過(guò)程中，雷達(dá)出現(xiàn)了同神舟飛船返回艙相似的黑障區(qū)目標(biāo)丟失現(xiàn)象。與神舟飛船返回艙相比，新型返回艙高度及直徑增加近1倍，采用了新型防熱結(jié)構(gòu)和材料，這些改變導(dǎo)致新型返回艙再入段黑障區(qū)雷達(dá)反射特性發(fā)生了變化。今后新型載人飛船返回任務(wù)呈現(xiàn)高密度狀態(tài)，但目前公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于新型返回艙黑障區(qū)C頻段雷達(dá)反射特性的研究還幾乎處于空白，因此，加強(qiáng)對(duì)其返回段黑障區(qū)特性及跟蹤策略的研究十分重要。本文通過(guò)梳理等離子體對(duì)電磁波傳播影響的基本理論，分析等離子體對(duì)電磁波的反射、吸收特性，推理出雷達(dá)反射式跟蹤返回艙時(shí)，在黑障區(qū)丟失目標(biāo)的可能原因。對(duì)比3套C頻段雷達(dá)在某次新型返回艙返回過(guò)程中的跟蹤數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析的正確性。針對(duì)C頻段雷達(dá)目標(biāo)丟失的高度、速度和RCS特性，以某型號(hào)雷達(dá)為例，制定相應(yīng)的捕獲跟蹤策略，為其他型號(hào)雷達(dá)提供參考。

1 等離子體鞘套對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?/h2>

1.1 返回式航天器等離子體鞘套形成因素分析

返回式航天器高速進(jìn)入大氣層時(shí)，與周圍稠密大氣劇烈摩擦，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，形成高溫區(qū)，溫度可達(dá)3000 K[7]。高溫區(qū)內(nèi)氣體分子產(chǎn)生電離，航天器表面防熱材料也同時(shí)在高溫下被燒蝕電離，形成平時(shí)所說(shuō)的物質(zhì)的第四種形態(tài)——等離子體，峰值電子密度可達(dá)1013～1016cm-3，這層等離子體沿航天器表面分布，即“等離子鞘套”[8]。該鞘套的物理參數(shù)與再入航天器錐角、飛行速度、返回入射角、距地面高度、防熱材料以及環(huán)境大氣密度等因素直接相關(guān)[6]。

1.2 等離子體主要物理參數(shù)

1.2.1 等離子體密度

等離子體密度的定義是單位體積中電子的數(shù)目，因?yàn)榕c其他粒子相比，電子的活動(dòng)更加活躍；單位一般為個(gè)/cm3，該值主要受空氣密度和等離子鞘套溫度的影響。在航天器頭部由于強(qiáng)烈的摩擦作用，產(chǎn)生強(qiáng)激波，大氣受到壓縮而且?guī)缀跬耆婋x，電子密度較高；在航天器的側(cè)面向尾部方向，電子密度逐漸降低；在尾部，摩擦作用較弱，電離作用基本不再發(fā)生，電子與離子的復(fù)合過(guò)程將起主要作用，因此在飛行器尾部區(qū)域的等離子體密度比飛行器前部和側(cè)面的等離子體密度低很多。

1.2.2 等離子體角頻率

等離子體角頻率又被稱為朗繆爾振蕩頻率，是等離子體的重要特征參數(shù)之一。當(dāng)?shù)入x子體受到氣體放電、射線輻射等外界條件的影響時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一部分微觀粒子偏離原平衡的狀態(tài)，此時(shí)，在粒子間庫(kù)倫力的作用下，偏離平衡態(tài)的等離子體會(huì)重新成為電中性，這種從偏離平衡狀態(tài)到恢復(fù)平衡狀態(tài)的過(guò)程就叫等離子體的自由振蕩，自由振蕩的頻率就是等離子體角頻率ωm[9]。能夠保持等離子體性質(zhì)不變的最大偏離范圍被稱作德拜長(zhǎng)度。

(1)

式中：Ne為電子密度;qe為電子電荷量;ε0為真空中介電常數(shù);me為電子質(zhì)量;fp為等離子體波頻率。

1.2.3 等離子體碰撞頻率

在等離子體微觀粒子之間的碰撞中，電子與中性粒子、離子之間的碰撞占了絕大多數(shù)，因此通常將電子與其他粒子的碰撞頻率當(dāng)作等離子體碰撞頻率的近似值。電子碰撞頻率表示為

Ve=Ven+Vei

(2)

式中：Ven為中性粒子與電子碰撞頻率；Vei為離子與電子碰撞頻率。等離子體碰撞頻率決定了電磁波在等離子體內(nèi)被吸收的程度。大氣相對(duì)密度和等離子體溫度與該參數(shù)有比較大的關(guān)系。

1.3 等離子體對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?/h3>

1.3.1 等離子體對(duì)電磁波的折射、反射作用

等離子體與其他介質(zhì)一樣具有介電常數(shù)ε，在頻率為ω的電磁波的電場(chǎng)作用下，結(jié)合電子的運(yùn)動(dòng)、位移和速度方程，推出其相對(duì)介電常數(shù)的表達(dá)式為[8]

(3)

式中：Ve為電子碰撞頻率。由于微觀粒子之間存在碰撞，導(dǎo)致等離子體的相對(duì)介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，實(shí)部反映了入射電磁波的色散，虛部反映電磁波的吸收。定義電磁波在等離子體中傳播、反射、折射時(shí)的折射率和衰減率為[9]

(4)

(5)

電磁波在等離子體中傳播時(shí)的相位系數(shù)和衰減系數(shù)定義為

(6)

(7)

針對(duì)ω、ωm、Ve之間的關(guān)系，討論等離子體對(duì)電磁波傳播的影響。

① 當(dāng)ω=ωm時(shí)，若Ve=0，此時(shí)n′和n″都是零，表明此時(shí)入射電磁波無(wú)法在等離子體中傳播，而是在表面被完全反射；若Ve≠0，此時(shí)n′和n″均大于零，表明電磁波可以在等離子體內(nèi)傳播一定距離。

(8)

(9)

因此，折射率n′基本與Ve無(wú)關(guān)，衰減率n″受到碰撞頻率Ve的影響，且電磁波頻率越高產(chǎn)生的衰減越小。

(10)

通過(guò)以上分析可知，對(duì)于Ve≠0的情況，平面電磁波在等離子體中總是存在衰減，并且等離子體厚度越大，產(chǎn)生的總衰減越大。

1.3.2 等離子體對(duì)電磁波的衰減作用機(jī)理

等離子體內(nèi)部會(huì)通過(guò)粒子間碰撞吸收入射到等離子體內(nèi)部的電磁波能量。當(dāng)ω<ωm時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，電磁波不能夠在等離子體內(nèi)傳播；當(dāng)ω>ωm時(shí)，由于等離子體中電子的變化速度跟不上電磁波的變化速度，電磁波受到的阻礙作用會(huì)比較小，此時(shí)電磁波可以通過(guò)等離子體，但會(huì)被吸收一部分。電磁波被吸收的原因是電場(chǎng)對(duì)電子做功后，電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，電子又通過(guò)與其他粒子的碰撞，將一部分能量傳遞給其他粒子，同時(shí)自身能量被衰減。

1.4 黑障區(qū)等離子體鞘套對(duì)電磁波衰減常數(shù)計(jì)算

為簡(jiǎn)化分析模型，將航天器再入時(shí)形成的等離子體鞘套看作無(wú)限大均勻非磁化導(dǎo)電介質(zhì)，可以得出電磁波在等離子體內(nèi)的衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β為[7]

(11)

(12)

《載人飛船空氣動(dòng)力學(xué)》[11]中提供了載人飛船返回艙在黑障區(qū)不同高度下對(duì)應(yīng)的大氣電子密度Ne及碰撞頻率Ve分布。從中可以得出載人飛船返回艙近地返回時(shí)，返回走廊內(nèi)電子密度在1010～1014cm-3之間。

從文獻(xiàn)[12]中獲取了載人飛船返回艙在黑障區(qū)不同高度時(shí)的電子密度、等離子體頻率、等離子體碰撞頻率等參數(shù)，據(jù)此計(jì)算出S、C、X、K頻段電磁波在等離子體鞘套內(nèi)傳播時(shí)的衰減常數(shù)α，如表1所示。

表1 不同頻段電磁波在等離子體內(nèi)傳播的衰減常數(shù)α

1.5 黑障區(qū)等離子體鞘套對(duì)電磁波影響分析

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，針對(duì)C頻段雷達(dá)反射回波信號(hào)丟失與重捕情況，得出新型返回艙在返回過(guò)程中“黑障”現(xiàn)象相關(guān)結(jié)論如下。

① 當(dāng)返回艙高度H>100 km時(shí)，空氣密度比較低，返回艙與大氣摩擦作用較弱，產(chǎn)生的熱量較少，因此大氣電離較弱，等離子體電子密度低，等離子體角頻率ωm遠(yuǎn)小于電磁波頻率，電磁波能以很小的衰減穿透等離子體并形成反射回波到達(dá)雷達(dá)天線，此時(shí)等離子體幾乎對(duì)雷達(dá)設(shè)備工作不產(chǎn)生影響。

② 當(dāng)返回艙高度90 kmω。

③ 當(dāng)返回艙高度50 km

⑤ 當(dāng)返回艙高度30 kmω>ωm時(shí)，等離子體由過(guò)密狀態(tài)變?yōu)閬喢軤顟B(tài)，尾部形成亞密湍流，出現(xiàn)體散射[14]，導(dǎo)致目標(biāo)RCS出現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，甚至高于目標(biāo)本體RCS。此時(shí)認(rèn)為目標(biāo)處于黑障區(qū)邊緣。

⑥ 當(dāng)返回艙高度H<30 km時(shí)，速度進(jìn)一步降低，表面溫度不斷下降，電離過(guò)程繼續(xù)減弱，等離子體角頻率ωm隨高度下降而下降；同時(shí)由于大氣密度增加，等離子體碰撞頻率上升，綜合作用導(dǎo)致α→0，等離子體對(duì)電磁波的衰減作用很弱，鞘套消失，此時(shí)雷達(dá)接收到的為返回艙本體信號(hào)，目標(biāo)已經(jīng)通過(guò)黑障區(qū)。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

某次新型返回艙升力控制式返回過(guò)程中，末段3套C頻段雷達(dá)捕獲目標(biāo)后，均出現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)短時(shí)間內(nèi)迅速減小、隨后目標(biāo)丟失的現(xiàn)象，雷達(dá)跟蹤返回艙RCS變化情況如圖1～圖3所示。

圖1 1#雷達(dá)跟蹤新型返回艙t-RCS關(guān)系圖

圖2 2#雷達(dá)跟蹤新型返回艙t-RCS關(guān)系圖

圖3 3#雷達(dá)跟蹤新型返回艙t-RCS關(guān)系圖

對(duì)比3套C頻段雷達(dá)跟蹤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取新型返回艙某次任務(wù)彈道式返回過(guò)程中再入大氣層后目標(biāo)信號(hào)丟失點(diǎn)及重捕點(diǎn)高度、AGC(Automatic Gain Control，自動(dòng)增益控制)值、丟失時(shí)間等信息如表2所示。

表2 某任務(wù)3套C頻段雷達(dá)目標(biāo)丟失點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

① 返回艙高度在50 kmω，電磁波無(wú)法進(jìn)入等離子體傳播，在界面處被反射，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)來(lái)自于等離子體鞘套，其RCS比目標(biāo)本體高約11.5 dB，在11～17 dBsm之間，此時(shí)雷達(dá)跟蹤目標(biāo)較為穩(wěn)定。

② 3套C頻段雷達(dá)目標(biāo)丟失高度均在50 km附近，具有較好的一致性，可判斷在該區(qū)域返回艙處于出黑障前的第4階段。等離子體對(duì)C頻段電磁波的衰減作用占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致雷達(dá)回波信號(hào)突然減小，目標(biāo)丟失。

③ 返回艙高度在30 km

④ 返回艙高度在H<30 km時(shí)，由于等離子體電子密度下降，ωm<ω，此時(shí)電磁波幾乎不會(huì)受到等離子體的衰減，照射在返回艙后形成后向散射，雷達(dá)跟蹤信號(hào)信噪比也比較穩(wěn)定，此時(shí)雷達(dá)接收到的為返回艙本體信號(hào)，RCS均值為0.5～1.0 dBsm，跟蹤穩(wěn)定。

3 新型返回艙捕獲跟蹤策略

在分析新型返回艙黑障區(qū)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合某型號(hào)雷達(dá)操作，提出新型返回艙捕獲跟蹤策略如圖4所示。

圖4 C頻段雷達(dá)捕獲跟蹤新型返回艙策略流程圖

3.1 距離估算

依據(jù)某型號(hào)雷達(dá)跟蹤數(shù)據(jù)，返回艙RCS為-10～19.88 dBsm，任務(wù)跟蹤數(shù)據(jù)最小RCS為-10 dBsm，利用雷達(dá)相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出該型號(hào)雷達(dá)跟蹤新型返回艙較為合適的作用距離為340 km。在進(jìn)行雷達(dá)布站時(shí)，盡量不超出此作用距離。

3.2 掃描空域范圍設(shè)置

新型返回艙采取升力控制式返回，再入大氣層后由于受到大氣摩擦以及氣流影響，理論彈道與實(shí)際彈道偏移量會(huì)逐漸變大。掃描空域的設(shè)置應(yīng)該區(qū)分后向、側(cè)向、前向測(cè)站等不同情況。返回艙相對(duì)后向與前向測(cè)站，一般來(lái)說(shuō)方位變化較小，俯仰變化較大，因此掃描空域應(yīng)設(shè)置為方位較大、俯仰較小，這樣有利于提升電掃描效能。

對(duì)于側(cè)向測(cè)站，一般方位變化比俯仰變化要大，因此方位掃描范圍應(yīng)比俯仰掃描范圍大一些。以側(cè)向測(cè)站為例，在航天器飛行過(guò)程中，雷達(dá)丟失目標(biāo)時(shí)，速度約為3.0 km/s，方位角速度為0.6°/s，俯仰角速度為0.04°/s，設(shè)置掃描空域?yàn)?°×1°，與雷達(dá)距離為532 km處矩形框?yàn)?8.6 km×9.26 km，返回艙穿越該區(qū)域所需時(shí)間為3.09～6.2 s，大于雷達(dá)電掃描時(shí)間9 ms，可以滿足目標(biāo)重捕要求。

3.3 捕獲跟蹤方案

(1) 等待點(diǎn)設(shè)置。

依據(jù)返回艙跟蹤數(shù)據(jù)以及理論彈道，預(yù)估目標(biāo)丟失點(diǎn)時(shí)間、高度、方位、俯仰值，在預(yù)估丟失點(diǎn)前后20 s，以及目標(biāo)丟失點(diǎn)后40 s設(shè)置等待點(diǎn)。

(2) 掃描空域設(shè)置。

在臨近預(yù)估黑障區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照事先計(jì)算好的空域范圍切換掃描空域。

(3) 引導(dǎo)源選擇。

在返回艙返回彈道的末段一般內(nèi)引數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大偏差，因此應(yīng)當(dāng)按照外引、內(nèi)引、屏引的優(yōu)先級(jí)確定引導(dǎo)源。若返回艙是在夜間返回，由于摩擦燒蝕作用艙體會(huì)形成發(fā)光體，此時(shí)應(yīng)采用光學(xué)引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行引導(dǎo)重捕。

(4) 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置。

返回艙處于“隱身區(qū)”前后時(shí)，回波信號(hào)較弱，此時(shí)操作手應(yīng)及時(shí)調(diào)整MGC(Manual Gain Control，手動(dòng)增益控制)，使之與回波幅度較為匹配；并且由于目標(biāo)回波信號(hào)弱，容易丟失目標(biāo)，伺服操作手應(yīng)手控伺服，待目標(biāo)信號(hào)穩(wěn)定后，再轉(zhuǎn)為角度自動(dòng)跟蹤。依據(jù)理論彈道預(yù)先評(píng)估黑障區(qū)適宜的波形、掃描空域、電掃帶寬等參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前黑障區(qū)目標(biāo)反射回波丟失現(xiàn)象雖不可消除，但通過(guò)分析其“隱身區(qū)”特點(diǎn)，關(guān)注不同方位測(cè)站跟蹤效果、目標(biāo)丟失高度、RCS變化特點(diǎn)，測(cè)控人員可預(yù)測(cè)本設(shè)備目標(biāo)丟失以及重捕點(diǎn)的時(shí)間、目標(biāo)位置，發(fā)揮測(cè)控設(shè)備最佳性能，盡力縮短目標(biāo)丟失時(shí)間。返回艙末段的測(cè)控精度對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)報(bào)返回艙落點(diǎn)意義重大。今后可以在目標(biāo)彈道的實(shí)時(shí)外推方面做一定工作，從而實(shí)時(shí)調(diào)整預(yù)設(shè)的目標(biāo)重捕等待點(diǎn)。本文為新型返回艙黑障區(qū)測(cè)控工作提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論解釋，為今后的返回艙測(cè)控工作奠定了基礎(chǔ)。